《簡(jiǎn)單剪切湍流》課件

簡(jiǎn)單剪切湍流課程介紹課程目標(biāo)學(xué)習(xí)剪切湍流的概念、特性和數(shù)學(xué)描述。課程內(nèi)容涵蓋層流和湍流的區(qū)別、剪切湍流的形成機(jī)理和特征、湍流邊界層、湍流模型和應(yīng)用。學(xué)習(xí)方法課堂講解、案例分析、課后練習(xí)和文獻(xiàn)閱讀。湍流概念湍流是一種流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其特點(diǎn)是流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)無規(guī)則，具有隨機(jī)性、脈動(dòng)性、擴(kuò)散性等特征。湍流的運(yùn)動(dòng)模式復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型描述。湍流是自然界中最普遍的流體運(yùn)動(dòng)形式之一，它在很多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，例如河流、海洋、大氣、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)等等。湍流性質(zhì)無序性湍流運(yùn)動(dòng)是高度無序和隨機(jī)的，無法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式精確描述。彌散性湍流具有很強(qiáng)的彌散性，物質(zhì)和熱量在湍流中迅速混合和擴(kuò)散。不可逆性湍流的運(yùn)動(dòng)是不可逆的，時(shí)間反演后，流體不會(huì)回到原來的狀態(tài)。湍流分類自由湍流無固體邊界的影響，例如大氣中的風(fēng)。壁面湍流受固體邊界影響，例如管道內(nèi)的流動(dòng)。各向同性湍流湍流的統(tǒng)計(jì)特性在所有方向上都是相同的。層流和湍流的區(qū)別流動(dòng)模式層流流動(dòng)是平滑、有規(guī)律的流動(dòng)，而湍流流動(dòng)則是混亂、無序的流動(dòng)。速度梯度層流具有較小的速度梯度，而湍流具有較大的速度梯度。混合層流中流體混合程度很低，而湍流中流體混合程度很高。能量損失層流的能量損失較小，而湍流的能量損失較大。剪切湍流的形成機(jī)理1速度梯度流體層之間存在速度差2粘性力速度差導(dǎo)致粘性力作用3流動(dòng)不穩(wěn)定粘性力引發(fā)流動(dòng)不穩(wěn)定4湍流形成不穩(wěn)定發(fā)展成湍流剪切湍流的特征1隨機(jī)性剪切湍流的流動(dòng)方向和速度是隨機(jī)變化的，無法用精確的數(shù)學(xué)公式描述。2彌散性湍流可以加速物質(zhì)和能量的混合，例如煙霧在空氣中快速擴(kuò)散。3非線性湍流的運(yùn)動(dòng)方程是非線性的，難以求解，需要使用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。湍流邊界層邊界層是流體運(yùn)動(dòng)中重要的概念，指的是靠近固體表面的流體區(qū)域，其速度受到固體表面的影響，而遠(yuǎn)離表面的流體則保持不受影響的自由流狀態(tài)。當(dāng)流體在固體表面流動(dòng)時(shí)，由于流體與固體表面的摩擦作用，流體速度會(huì)逐漸降低，形成了速度梯度，而這種速度梯度會(huì)導(dǎo)致流體中的粘性力起作用，最終形成邊界層。壁面剪切湍流定義當(dāng)流體在固體表面流動(dòng)時(shí)，由于粘性力的作用，流體速度在靠近壁面的區(qū)域會(huì)發(fā)生變化，形成速度梯度。這種速度梯度導(dǎo)致了湍流的產(chǎn)生，稱為壁面剪切湍流。影響因素壁面剪切湍流的影響因素包括流體粘度、流速、壁面粗糙度等。這些因素決定了湍流的強(qiáng)度和特征。自由剪切湍流煙羽煙囪中排出的煙霧，在上升過程中形成湍流。噴流噴泉中噴出的水流，在空氣中形成湍流。河流河流在河床上流淌，形成湍流，塑造河道形態(tài)。簡(jiǎn)單剪切湍流的數(shù)學(xué)描述雷諾平均方程簡(jiǎn)單剪切湍流可以使用雷諾平均方程來描述，這是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)平均的數(shù)學(xué)模型。湍流模型為了解決雷諾平均方程中的湍流項(xiàng)，需要引入湍流模型。雷諾應(yīng)力定義湍流流動(dòng)中，由于流體微團(tuán)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力。公式τij=-ρiu'j>意義反映了湍流流動(dòng)中動(dòng)量傳遞的強(qiáng)度。湍流動(dòng)能和湍流耗散1/2湍流動(dòng)能湍流中流體微團(tuán)的平均動(dòng)能.ε湍流耗散湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的速率.速度分布1均勻?qū)恿?非均勻湍流3脈動(dòng)隨機(jī)性湍流邊界層的速度分布層流湍流速度分布呈拋物線形速度分布呈對(duì)數(shù)型邊界層厚度較薄邊界層厚度較厚速度梯度較大速度梯度較小擴(kuò)散過程1湍流擴(kuò)散增加混合效率2分子擴(kuò)散微觀尺度3動(dòng)量擴(kuò)散流動(dòng)速度不均勻4熱量擴(kuò)散溫度不均勻5質(zhì)量擴(kuò)散物質(zhì)濃度不均勻標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)1湍流邊界層近壁面處理用于近似描述湍流邊界層中速度和溫度分布的經(jīng)驗(yàn)公式。2壁面摩擦速度將近壁面速度和速度梯度與壁面摩擦速度相關(guān)聯(lián)。3壁面熱流建立壁面熱流、壁面溫度和流體溫度之間的關(guān)系。湍流邊界層的熱傳輸湍流邊界層中的熱傳輸受到湍流混合的影響。湍流模型簡(jiǎn)化湍流方程，計(jì)算速度和壓力場(chǎng)。使用數(shù)值方法解決簡(jiǎn)化的方程組。應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和分析，預(yù)測(cè)流體流動(dòng)行為。k-ε模型k-ε模型介紹k-ε模型是一種常用的湍流模型，它通過兩個(gè)輸運(yùn)方程來模擬湍流動(dòng)能和湍流耗散率，從而預(yù)測(cè)湍流場(chǎng)的演變。k-ε模型優(yōu)點(diǎn)k-ε模型具有較高的計(jì)算效率，并且能夠模擬各種湍流流動(dòng)，在工程應(yīng)用中廣泛使用。k-ω模型湍流粘度k-ω模型通過湍流粘度來描述湍流對(duì)流體流動(dòng)影響，反映了湍流對(duì)動(dòng)量輸運(yùn)的增強(qiáng)作用。湍流動(dòng)能模型利用k表示湍流動(dòng)能，反映了湍流強(qiáng)度。比耗散率模型利用ω表示比耗散率，描述了湍流能量耗散速率。大渦模擬（LES）基本原理LES模擬中，通過濾波器濾除小尺度渦，直接計(jì)算大尺度渦，并對(duì)小尺度渦的影響進(jìn)行建模，從而降低計(jì)算成本。適用范圍LES適用于中等雷諾數(shù)的湍流問題，例如汽車周圍的空氣流動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的流動(dòng)等。優(yōu)點(diǎn)LES相比DNS計(jì)算成本低，同時(shí)比RANS模型精度更高，能夠捕捉到一些重要的湍流特征。直接數(shù)值模擬（DNS）高精度DNS能夠準(zhǔn)確捕捉湍流的所有尺度，提供精確的流動(dòng)信息。高成本DNS計(jì)算量巨大，需要強(qiáng)大的計(jì)算資源和時(shí)間。適用范圍DNS主要用于基礎(chǔ)研究，難以直接應(yīng)用于工程實(shí)踐。湍流模型的選擇k-ε模型廣泛應(yīng)用于工程問題，但精度可能不足。k-ω模型更適合近壁面流，對(duì)湍流邊界層模擬更精確。大渦模擬（LES）捕捉大尺度湍流結(jié)構(gòu)，計(jì)算量大，但精度高。直接數(shù)值模擬（DNS）求解所有尺度的湍流，計(jì)算量極大，主要用于基礎(chǔ)研究。湍流模型的應(yīng)用1航空航天飛機(jī)設(shè)計(jì)、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)等。2汽車工程汽車空氣動(dòng)力學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排氣系統(tǒng)等。3環(huán)境工程大氣污染擴(kuò)散、河流和湖泊水流模擬等。4化工工程反應(yīng)器設(shè)計(jì)、管道流動(dòng)、攪拌等。工程實(shí)例簡(jiǎn)單剪切湍流在許多工程領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用，例如:航空航天汽車工業(yè)能源環(huán)境工程生物工程結(jié)論簡(jiǎn)單剪切湍流是流體力學(xué)的重要研究領(lǐng)域。湍流模型在工程應(yīng)用中至關(guān)重要。進(jìn)一步研究可以幫助我們更深入地理解湍流現(xiàn)象。問題探討本課件重點(diǎn)介紹了簡(jiǎn)單剪切湍流的概念、性質(zhì)、形成機(jī)理和數(shù)學(xué)描述，并探討了湍流邊界層、壁面剪切湍流和自由剪切湍流。同時(shí)，我們也介紹了常見的湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型、大渦模擬和直接數(shù)值模擬，以及湍流模型在工程中的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體問題選擇合適的湍流模型，并結(jié)合數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。對(duì)于復(fù)雜的湍流問題，還需要進(jìn)一步研究和開發(fā)更精確和有效的湍流模型。參考文獻(xiàn)湍流物理學(xué)Tennekes,H.,&Lumley,J.L.